近年來，隨著腦科學、再生醫(yī)學、人工智能等領域的迅速發(fā)展與深度融合，生物神經修復、腦機接口等技術正逐漸從設想變?yōu)楝F實。

人工神經是用于臨床神經修復和腦機接口的重要技術，需要具備能夠放大、記憶、整合、傳遞生物體內微弱且高頻的信號（高達 1 千赫茲、低于 50 毫伏）的能力。這要求人工神經同時具備快速響應、高放大能力和良好生物相容性，并實現感知-處理-記憶功能的一體化融合。傳統硅基電路雖然性能強大，但缺乏對神經遞質等生物化學信號的響應能力，無法實現化學調控，且電路結構復雜、硬質，生物相容性差、難以與柔軟神經組織長期穩(wěn)定連接等關鍵問題。

針對以上問題，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授領導研究團隊設計了一種新型具有梯度雙連續(xù)結構（GIBS）的垂直有機電化學晶體管（v-OECT）器件，構筑了生物相容性好、可化學調控的高性能人工神經，相關成果已于 3 月 10 日發(fā)表在《自然-電子》上。

芝加哥大學 Sihong Wang 教授團隊發(fā)表觀點文章并指出，基于 GIBS 的突觸器件響應速度提升了 2000 倍，而相應神經元電路實現了超出以往 OECT 軸突-軸丘電路 5 倍的脈沖發(fā)放頻率，基于的神經元-突觸集成系統模仿了神經沖動對于突觸權重的增強，對于神經修復、腦機接口等領域的發(fā)展將產生重要影響。

 a.生物神經與人工神經的構成組件與對應關系；b. 梯度雙連續(xù)結構示意圖；c.具有梯度雙連續(xù)的 v-OECT 性能與其他已報道器件的綜合性能對比；d. 人工神經用于恢復神經功能受損小鼠的條件反射能力。

GIBS 結構是在聚合物半導體垂直溝道上順序沉積了具有生物相容和分子摻雜效應的離子導體，可形成連續(xù)的電子和離子高速傳輸通道并實現 n 型摻雜，從而破解了電荷與離子難以同時高效傳輸的難題。

此外，GIBS 結構能夠抑制上層離子導體對下層聚合物半導體結晶結構的破壞，提供高離子脫嵌勢壘以實現離子的長期存儲，確保了良好的電導記憶性能。

同時，上層的離子導體還具有促進細胞生長的作用，為器件提供生物相容性的神經界面。得益于上述“一石三鳥”的設計，具有 GIBS 結構的有機電化學晶體管（OECT）實現了高跨導和超快響應速度，綜合性能為目前報道的 n 型 OECT 中的最高值。其作為感受器，可對光、電、化學等多模態(tài)信號實現高靈敏響應；作為神經元，可通過互補反相器實現 248V / V 的高電壓增益和 1.5kHz 的高截止頻率；作為神經突觸，可實現 100kHz 的高頻電導讀寫和長時間的電導記憶。

由以上三部分均質集成而構建的人工神經，不僅具有良好的生物相容性和長期植入穩(wěn)定性，還可以在鈣離子的化學介導下以超過 250Hz 的頻率實現對外界信號的感知-處理-記憶功能，覆蓋了所有已知生物神經的刷新頻率范圍。

通過植入實驗，該人工神經成功使神經功能受損的小鼠恢復了條件反射能力。該研究在有機半導體和新興神經電子學領域具有重要科學價值和應用前景，為腦機接口開發(fā)和各類神經系統疾病的治療提供了新思路，特別是對脊髓損傷、周圍神經損傷等疾病的修復具有積極意義。